压缩机振动噪声综合特性测试分析技术研究

陈建国，王珍

（大连大学机械工程学院，辽宁 大连 116622）

1 前言

压缩机的振动与噪声的来源较为复杂，而振动与噪声的传播路径、干扰耦合及影响因素十分复杂，理论分析或有限元分析建模需要进行模型简化，如徐嘉等对涡旋压缩机排气阀数值分析和实验研究，王训杰等对涡旋压缩机的流场特性研究，苏亚锋等对涡旋压缩机电机转子动平衡设计与数值仿真。而压缩机对外表现的振动与噪声是最终多振源耦合最终结果，寻找最终振动与噪声来源及相互关系十分重要。如黄志强对大型往复压缩机主机振动分析与测试研究，谭博欢对空调配管理论模态分析与试验研究。先进的综合实验系统设计开发使得压缩机的特性参数测试更加有效和便利，如牛洪涛进行了基于LabVIEW 的涡旋压缩机曲轴振动测试系统设计，杨青玉应用LabVIEW 开发非接触式压缩机叶片模态测试系统。在压缩机振动与噪声综合特性实验方面的实验方案研究较少，本文旨在研究集固有特性、声振信号时频分析、声振信号相干分析和噪声信号倍频程分析的综合测试分析系统。

2 固有频率测试原理及模块程序设计

在压缩机振动分析过程中，压缩机部件及管道系统的固有频率是研究重点，因此通过固有频率特性试验测得固有频率，查看压缩机振动信号中有无固有频率或其倍频，是判断压缩机振动是否出现共振的主要方法。固有频率测试方法主要有锤击击法和激振器法，锤击法需要的设备简单，如图1 所示。

图1 锤击法硬件示意图

对于压缩机部件结构锤击得到一个脉冲激励力信号，测得结构振动响应信号，则频率响应函数如下式所示。

式中，Srx(f)为激励力信号与响应信号的互功率谱，Srr(f)为激励力信号的自功率谱。锤击信号的持续时间越短，有效频带越宽，幅值越大，响应信号信噪比越高，响应信号成分越全面。所以，在锤击实验中要实现短时一次锤击，锤击力度在不引起压缩机部件局部塑变的前提下尽量大。

固有频率模块硬件需要一个力锤、加速度传感器及数据采集卡组成。软件功能模块利用LabVIEW 编程实现，模块实现如图2 所示，为压缩机管道的固有频率测试，从图中可以得到，压缩机配管系统的固有频率为74.1Hz，并且其2 倍频148.2Hz、3 倍频232.9Hz 成分也很明显。

图2 固有频率模块界面

在此模块中，注意锤击信号长度要根据响应信号衰减长度截取，并且由于锤击和响应之间信号之间具有时间差，要根据互相关算法在响应信号中延迟截取开始点。在频率响应函数中选用Hamming 窗，RMS averaging 平均模式，Exponential 加权模式。固有频率程序框图如图3 所示。

图3 固有频率模块程序框图

3 声振相干分析原理及程序模块设计

相干性是一种统计数据，可用于验证两个信号或数据之间的关系。它在模块用于估算振动信号和响应信号之间的功率传输状况，可以使用它来估计压缩机振动与噪声之间的因果关系。针对某个频率，其相位差恒定，幅值变化表现一致，说明这两信号中这个频率点的相干性较高。用公式来表达两列信号x，y的相干性计算，如下：

其中，Gxy(f)为两列信号的互功率谱密度，Gxx(f)和Gyy(f)则是它们各自的自功率谱密度。从公式中可以发现，相干性的取值范围是[0-1]。1 为完全相干，0 为完全不相干。

声振相干硬件系统需要加速度传感器、传声器及数据采集卡。模块设计界面如图4 所示，图中是压缩机管道振动信号和声音信号进行相干分析得到相干谱，从相干谱中可以看出，在210Hz 出相干系数为0.89，并且在其2 倍频420Hz、5 倍频1020Hz 处的相干系数也超出了0.6，由此可以看出振动信号中的210Hz 频率成分与噪声存在因果性，从而可以进一步对管道进行优化设计，消除210Hz 振动成分，从而减少噪声信号传播。

图4 声振相干模块界面

振动噪声相干分析模块运用了相干分析函数，把噪声信号与振动信号进行相干算法进行周期运算，运算周期为20 次，每次运算的数据为5k，通过每次的迭代使得振动与噪声的相干系数更加明显。在相干分析函数参数中平均模式为Vector averaging，加权模式为Exponential，选用高斯窗，窗参数为0.2，FRF 模式为H3。具体的程序框图如图5 所示。

图5 声振相干程序框图

4 倍频程声压级及程序模块设计

声压是定量描述声波的最基本的物理参量，它是声扰动所产生的逾量压强，是空间位置和时间的函数。声压级是用来表示声压大小的数值，用符号Lp 表示，其定义式如下：

式中，P 为测量的声压值；P0是基准声压，数值为2×10-5Pa。

恒定带宽比法是声学领域常用的划分频带的方法。目前最常用的频谱分析主要使用1/3 倍频程分析法。1/3 倍频程可以表示为以下关系式：

其中，f1为频带的下限截止频率，f2为频带的上限截止频率，频带的带宽则是两者之差。1/3 倍频程既可以实现对于噪声信号的更为精细和准确的分析，又能明确地观察到噪声的能量分布。为了模拟人的耳朵对声音的听力特性，常用的计权网络有A、B、C 和D 四种。其中A 计权对噪声的频率响应是最接近人耳。

在倍频程程序模块主界面如图6 所示，在1/3 倍频图中可以查看噪声能量整体分布及每个频带的能量数值，并且通过图下的表格查询每个中心频率和对应的能量值，表格下面的水平滚动条可以转换频率范围，在1/3倍频图右侧数值显示控件用来评价噪声的总声压级。

图6 倍频程声压级界面

在噪声倍频程程序框图中利用了1/3 倍频程函数及A 计权滤波函数，显示频率从20Hz ～20kHz，快速指数平均的时间常数为125ms，计权方式选择为A 计权，创建倍频程的波形图及总声压级数值控件，利用中心频率和各频带能量值创建二维数组用于统计各个频带的能量数值，使得图表显示功能更加直观，程序框图如图7 所示。

图7 倍频程声压级程序框图

5 结语

在研究振动信号、噪声信号的时域、频域、固有频率、相干分析及倍频程声压级理论的基础上，实现振动噪声信号的数据采集、保存、读取、时域和频域分析基本功能，并且集成了用于压缩机共振特性测试的固有频率测试，集成了振动与噪声间特性的相干分析,集成了压缩机噪声特性的倍频程声压级分析。

在系统中利用时域及频域图可以了解信号的振动程度及频率组成，利用固有频率分析可以优化设计压缩机部件结构避免共振产生，利用振动与噪声相干分析探寻振动与噪声的因果关系，为结构振动与噪声进行同时治理，利用噪声信号的1/3 倍频程分析得到噪声的总体评价，判断压缩机噪声指标性能。振动噪声特性测试分析使得压缩机性能测试更加方便，所用的测试设备更加简化，为压缩机的设计、优化和测试提供有力的支撑。